Câu hỏi chung về tín hiệu analog và kỹ thuật số

Newbie alert: Tôi không phải là một kỹ sư điện, tôi cũng chưa bao giờ học kỹ thuật điện, vì vậy xin vui lòng chịu đựng với tôi.

Bất cứ khi nào tôi đọc về sự khác biệt giữa tín hiệu số và tín hiệu tương tự, một hình ảnh như thế này (hoặc tương tự như thế này) thường được đính kèm:

Xem xét hình minh họa dưới cùng trong giây lát (Tín hiệu số). Theo hiểu biết tốt nhất của tôi, dòng điện là liên tục, vì vậy nếu đó là trường hợp, không có cách nào nó sẽ chảy theo cách như vậy trong bất kỳ phương tiện. Nói cách khác: không có "sóng vuông".
Vì vậy, chính xác những gì miêu tả?
Có phải chỉ là giải thích, bất cứ khi nào điện áp vượt qua một số rào cản hoặc rơi dưới nó? Có nghĩa là, khi điện áp cao hơn một số ngưỡng được chọn tùy ý, chúng tôi coi nó là "cao" nhưng nếu không, chúng tôi coi nó là "thấp"?

Xin vui lòng, tôi biết điều này không phải lúc nào cũng có thể, nhưng hãy cố gắng trả lời theo cách mà một giáo dân sẽ hiểu.

Về cơ bản, từ quan điểm điện, mọi tín hiệu "kỹ thuật số" như bạn nói, chỉ là một xấp xỉ của sóng vuông. Đặc biệt nó sẽ có thời gian tăng và giảm hữu hạn.

Ở tốc độ cao, có thể khó đảm bảo nó trông đẹp như lý thuyết muốn. Để đảm bảo tín hiệu vẫn được phát hiện dưới dạng kỹ thuật số (tức là máy thu không bị nhầm lẫn hoàn toàn bởi tín hiệu có hình dạng khủng khiếp), cái gọi là sơ đồ mắt (còn gọi là mẫu mắt ) được sử dụng để đo các đặc điểm của nó qua một số mẫu.

Nhiều tiêu chuẩn (ví dụ USB và những gì không) xác định một số đặc điểm có thể chấp nhận cho sơ đồ này.

Lưu ý rằng mẫu / sơ đồ mắt không bị giới hạn ở hai mức [điện áp]. Nó cũng được áp dụng khi bạn có bất kỳ số lượng riêng biệt lượng mức đầu ra . Ví dụ, Gigabit Ethernet qua các cặp xoắn (1000BASE-T) sử dụng không phải hai mà là 5 cấp điện áp khác nhau.

Có phải đó chỉ là sự giải thích của chúng tôi cho bất cứ khi nào điện áp vượt qua một số rào cản hoặc rơi dưới nó? Có nghĩa là, khi điện áp cao hơn một số ngưỡng được chọn tùy ý, chúng tôi coi nó là "cao" nhưng nếu không, chúng tôi coi nó là "thấp"?

Về cơ bản, vâng, đó là cách nó hoạt động, một số ngưỡng điện áp cho "1" là gì và "0" được quyết định bởi một tiêu chuẩn nào đó.

Tín hiệu số là nhị phân . Họ chỉ có hai trạng thái - bật hoặc tắt, cao hay thấp, lên hoặc xuống - bất cứ điều gì bạn muốn gọi họ. Như bạn đã suy luận, có một số ngưỡng trên đó giá trị được coi là cao và một ngưỡng khác dưới đó giá trị được coi là thấp. Kỹ thuật số rất đơn giản để thực hiện với bóng bán dẫn bằng cách bật hoặc tắt hoàn toàn.

Tín hiệu tương tự với số lượng chúng đang đo. ví dụ, cân có thể cho ra một điện áp tỷ lệ thuận với tải - giả sử 0 đến 10 V cho tải từ 0 đến 200 kg. Một ví dụ khác là tín hiệu từ micrô thay đổi theo áp suất âm thanh ảnh hưởng đến màng loa micrô. Trong trường hợp này, tần số sẽ thay đổi theo cao độ của âm thanh và biên độ sẽ thay đổi theo âm lượng.

Bằng cách nào đó bạn đã chọn một chút nhầm lẫn; để tôi xem nếu tôi có thể giúp

Khi nói đến "tín hiệu số", có nhiều hơn một mức mà thuật ngữ đó được áp dụng. Có vẻ như bạn có ý tưởng về tín hiệu tương tự - một giá trị liên tục thay đổi theo thời gian.

"Tương tự" kỹ thuật số (bỏ qua cách chơi chữ) thay vào đó là một loạt các giá trị số; mỗi giá trị số tương ứng với một điểm trong thời gian và thường các điểm được đặt cách nhau theo các khoảng thời gian thông thường. Hơn nữa, có một phạm vi các giá trị số có sẵn cho quy trình và thông thường đây là một số sức mạnh của hai - ví dụ: 256 giá trị cho tám bit hoặc 65.536 giá trị cho 16 bit nếu cách bạn biểu thị giá trị bằng các từ nhị phân.

Bây giờ những gì tôi vừa mô tả là một sự trừu tượng; một tín hiệu kỹ thuật số có thể được truyền tải bằng cách vẫy cờ semaphore nếu ai đó chọn như vậy. Nhưng nếu thay vào đó, chúng ta chọn biểu diễn tín hiệu số thông qua một tập hợp các tín hiệu điện được bố trí song song một dây dẫn trên mỗi bit, thì mỗi tín hiệu đó thực sự là một tín hiệu tương tự như các tín hiệu khác ở đây đã đề xuất. Sau đó, công việc của các thiết bị điện tử là tạo ra các tín hiệu đó và nhận / giải mã chúng cho phù hợp.

Ngoài ra, bạn có thể truyền tín hiệu kỹ thuật số thay vì song song bằng cách gửi từng bit của từng giá trị theo thứ tự; bạn có thể thực hiện việc này qua một dây dẫn thay vì sử dụng nhiều bit mà bạn đang sử dụng và như đã nói ở đây, có những sơ đồ phức tạp hơn là chỉ sử dụng một điện áp hoặc dòng điện "cao" để biểu thị "1" hoặc "đúng" và điện áp hoặc dòng điện "thấp" hoặc bằng 0 để biểu thị "0" hoặc "sai."

Và bạn đã đúng - một tín hiệu tương tự không bao giờ có thể có sự thay đổi tức thời; những lý do cho điều này là rất nhiều và tôi sẽ không đi sâu vào tất cả chúng ở đây để cứu một người: những thay đổi trong dòng điện luôn luôn tự chống lại (theo ngay phương trình của Faraday). Nhưng trong thực tế khi thiết kế các mạch kỹ thuật số, ý tưởng là có sự chuyển đổi giữa các trạng thái đủ ngắn so với độ dài của khoảng nhỏ nhất giữa các lần chuyển đổi mà nó không thành vấn đề. Giả định đó bắt đầu thất bại khi bạn sử dụng cáp Ethernet quá lâu.

Tín hiệu số không muốn biểu thị tín hiệu tương tự là "bình phương", vì vậy khi bạn thấy tín hiệu số 1 trong tín hiệu số, nó không tương đương với biên độ cao trong đơn vị anlog, nhưng nó muốn biểu thị độ cao của biên độ tới thời gian khác nhau như một số (nhưng ở định dạng nhị phân). Vì vậy, nhiều số nhị phân muốn biểu thị chiều cao của biên độ đến một thời điểm cụ thể.

Hãy xem xét bức ảnh này từ BBC:

Biểu đồ trên là dạng tương tự. Từ đó, một giá trị được lấy mỗi giây (nhưng giá trị này có thể lên tới 40 triệu lần. Một giây và nhiều hơn nữa). Giá trị này là chiều cao biên độ của tín hiệu tương tự.

Hãy gọi nó là "bước" khi chúng ta lấy giá trị.

Trong mỗi bước, chiều cao của biên độ được ghi lại. Chiều cao là một số, có thể được biểu thị bằng 0 và 1 (ví dụ 10 sẽ là 1010).

Bạn thấy, càng nhiều giá trị chúng ta đo mỗi giây, càng nhiều dữ liệu phải được lưu / truyền và định dạng kỹ thuật số kết quả của tín hiệu tương tự này sẽ càng chính xác.

Ngoài ra, giá trị có thể càng cao, định dạng kỹ thuật số kết quả sẽ càng chính xác. (ví dụ: khi chúng ta lấy các giá trị từ 0 đến 10, chỉ có 10 giá trị - không chính xác lắm. Khi chúng ta điều chỉnh tín hiệu số này thành tín hiệu tương tự, đường cong sẽ rất "tốt". Nhưng khi chúng ta lấy các giá trị từ 0 đến 16000, điều này sẽ chính xác hơn rất nhiều.) Ngoài ra, nhiều bit hơn phải được lưu ở đây mỗi bước.

Nếu bạn lưu 64Bit mỗi bước và bước được thực hiện một lần một giây, bạn lưu 64Bit / s. Nếu bạn lưu 32Bit mỗi bước và bước được thực hiện hai lần một giây, bạn cũng lưu 64Bit / s. Nếu bạn lưu 16Bit mỗi bước và bước được thực hiện 4 lần một giây, bạn cũng có 64Bit / s.

Có nhiều cách để truyền tải tín hiệu số. Ví dụ: "thay đổi điện áp" được gọi là "Điều chế biên độ", được hiển thị trong biểu đồ của bạn (nhưng tất nhiên KHÔNG BAO GIỜ là một hình vuông hoàn hảo!). Điều biến biên độ chỉ có nghĩa là bạn đơn lẻ rằng có 1 bởi biên độ cao (điện áp cao) và 0 bởi một mức thấp.

Có các kỹ thuật điều chế oder như Điều chế tần số (FM được sử dụng với radio - bạn chỉ ra 1 có tần số cao và 0 với tần số thấp) hoặc Điều chế biên độ xung được sử dụng trong Ethernet và nhiều hơn nữa!